钛白粉的工业包膜方法和工业包膜系统

摘要

本发明提供了一种钛白粉的工业包膜方法和工业包膜系统。所述包膜方法包括配制高浓度低碱度的偏铝酸钠溶液，其中n

说明书

技术领域

本发明涉及钛白技术领域，更具体地讲，涉及一种在工业生产中利用低 碱度偏铝酸钠进行钛白粉包膜的工艺和系统。

背景技术

偏铝酸钠化学沉积氧化铝对钛白粉进行表面处理可以改善钛白粉的颜料 性能、拓宽其应用领域，因此，偏铝酸钠被广泛地用于钛白粉包膜。目前， 生产上所采用的均为工业偏铝酸钠(即商品偏铝酸钠)，其碱度较高(n_Na2O： n_Al2O3>3)，其中含有大量氢氧化钠，在化学沉积中需要使用较多的酸类物质 中和，中和后产生大量盐类废物，导致原料的浪费和环境的污染；此外，工 业偏铝酸钠的生产时间周期长(反应时间>3h)，造成对设备的损害和大量能 耗，影响其工业应用和生产。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的之一在于解决上述现有技术 中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一在于提供一种在在工业 生产中利用低碱度偏铝酸钠进行钛白粉包膜的工艺和系统。

为了实现上述目的，本发明的一方面提供了一种钛白粉的工业包膜方法。 所述包膜方法包括以下步骤：配制偏铝酸钠溶液，所述偏铝酸钠溶液中n_Na2O： n_Al2O3为1.25～1.3，并且所述偏铝酸钠溶液的浓度以Al₂O₃计为300～350/L； 将所述偏铝酸钠溶液通过管道稀释并输送至钛白粉浆料中进行包膜，其中， 所述偏铝酸钠溶液在管道输送过程中被稀释至其浓度以Al₂O₃计为95～ 105/L。

根据本发明钛白粉的工业包膜方法的一个实施例，所述配制偏铝酸钠溶 液的步骤包括：配制质量百分浓度为48～50％的氢氧化钠溶液；向所述氢氧 化钠溶液中加入氢氧化铝并加热至沸腾，待所得混合液由浑浊逐渐变澄清， 继续保持沸腾120～150min，得到所述偏铝酸钠溶液。

根据本发明钛白粉的工业包膜方法的一个实施例，所述方法还包括将所 述配制的质量百分浓度为48～50％的氢氧化钠溶液预热至80～100℃。

根据本发明钛白粉的工业包膜方法的一个实施例，所述管道中设置有折 流组件。

本发明的另一方面提供了一种钛白粉的工业包膜系统，所述包膜系统包 括稀释液供给管、第一阀门、第二阀门、第一流量计、第二流量计、偏铝酸 钠溶液贮槽和包膜反应釜，其中，所述偏铝酸钠溶液贮槽内贮存有偏铝酸钠 溶液，所述偏铝酸钠溶液中n_Na2O：n_Al2O3为1.25～1.3，并且所述偏铝酸钠溶 液的浓度以Al₂O₃计为300～350/L；所述包膜反应釜内盛装有待包膜的钛白 粉浆料，并通过管道与所述偏铝酸钠溶液贮槽连接；所述稀释液供给管与所 述管道连通，以将稀释液通入所述管道中并将所述偏铝酸钠溶液稀释至其浓 度以Al₂O₃计为95～105/L；所述第一阀门和第一流量计按照偏铝酸钠溶液的 流动方向依次设置在所述管道的位于偏铝酸钠贮槽和稀释液供给管之间的部 分上；所述第二阀门和第二流量计按照稀释液的流动方向依次设置在所述稀 释液供给管上。

根据本发明钛白粉的工业包膜系统的一个实施例，所述管道的位于所述 稀释液供给管和所述包膜反应釜之间的部分中设置有折流组件，所述折流组 件包括紧固在所述管道内壁面上的多个折流板，所述多个折流板沿着偏铝酸 钠溶液的流动方向布置在所述管道中。

根据本发明钛白粉的工业包膜系统的一个实施例，所述管道的位于所述 稀释液供给管和所述包膜反应釜之间的部分竖直设置，所述多个折流板中相 邻的两个折流板相对设置，并且相邻两个折流板之间形成供偏铝酸钠溶液流 过的通道。

根据本发明钛白粉的工业包膜系统的一个实施例，所述折流板沿所述管 道的管径方向紧固在所述管道内壁上，并且所述折流板的横截面面积小于所 述管道的横截面面积。

根据本发明钛白粉的工业包膜系统的一个实施例，所述管道的位于所述 稀释液供给管和所述包膜反应釜之间的部分的横截面为圆形，所述折流板的 横截面的形状为沿平行于所管道管径方向的直线将所述圆形分割后形成的大 割圆。

根据本发明钛白粉的工业包膜系统的一个实施例，所述大割圆的弧线段 的圆心角可以为240～270°。

根据本发明钛白粉的工业包膜系统的一个实施例，所述包膜系统还包括 设置在所述第一流量计和所述稀释液供给管之间且与所述管道连通的缓冲 罐。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：本发明采用低碱度偏铝酸钠 进行钛白包膜从源头上降低了酸类物质的用量，降低了成本，减少了对环境 的污染，减轻了对设备腐蚀，延长了设备的使用寿命；而先配置高浓度的低 碱度偏铝酸钠溶液克服了低浓度的低碱度偏铝酸钠保存时间短的问题，然后 采用边配置边使用的方式避免了工业生产中稀释得到的低浓度低碱度偏铝酸 钠在使用前就水解失效的问题，实现了采用低碱度偏铝酸钠进行钛白粉包膜 的工程应用，并且所得包膜产品性能指标优于现有的商品偏铝酸钠包膜产品。

附图说明

通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变 得更加清楚，其中：

图1示出了本发明示例性实施例的钛白粉的工业包膜系统的示意图。

图2示出了本发明示例性实施例的钛白粉的工业包膜系统中折流板的示 意图。

图3示出了管道的第三部分中的稀释效果模拟图。

附图标记说明：

1-偏铝酸钠溶液贮槽，2-第一阀门，3-第一流量计，4-缓冲槽，5-稀释液 供给管，6-第二阀门，7-第二流量计，8-折流板以及9-包膜反应釜。

具体实施方式

在下文中，将结合附图和示例性实施例详细地描述根据本发明的钛白粉 的工业包膜方法和工业包膜系统。

根据本发明示例性实施例的钛白粉的工业包膜方法包括以下步骤：

配制高浓度低碱度的偏铝酸钠溶液，该高浓度低碱度的偏铝酸钠溶液中 n_Na2O：n_Al2O3为1.25～1.3，并且该高浓度低碱度的偏铝酸钠溶液的浓度以Al₂O₃计为300～350/L；将上述高浓度低碱度的偏铝酸钠溶液通过管道稀释并输送 至钛白粉浆料中进行包膜，高浓度低碱度的偏铝酸钠溶液在管道输送过程中 被稀释至其浓度以Al₂O₃计为95～105/L。

上述配制高浓度低碱度的偏铝酸钠溶液可以通过以下方式实现：配制质 量百分浓度为48～50％的氢氧化钠溶液并预热至80～100℃；向氢氧化钠溶 液中加入氢氧化铝并加热至沸腾，待所得混合液由浑浊逐渐变澄清，继续保 持沸腾120～150min，得到上述高浓度低碱度的偏铝酸钠溶液。

其中，混合液由浑浊变澄清的过程反映了反应的进程，变澄清代表反应 已基本结束，澄清后继续保沸120～150min的目的是为了形成一个比较稳定 溶液体系，增强产物的稳定性。控制偏铝酸钠中n_Na2O：n_Al2O3为1.25～1.3的 原因是，氢氧化铝与碱反应属于中和可逆反应，所以氢氧化钠用量应过量， 以提高反应转化率和增强产品在液体条件的稳定性，若n_Na2O：n_Al2O3小于1.25， 难以反应完全，并且得到的偏铝酸钠极不稳定，容易水解产生沉淀；而若n_Na2O： n_Al2O3大于1.3，用于钛白粉包膜后的还是需要大量酸进行中和，达不到预期 的效果。而高浓度偏铝酸钠(以Al₂O₃计为300～350/L)可延长其保存时间，具 体地，发明人对于低碱度偏铝酸钠的保存做了相关研究，表1示出了低碱度 偏铝酸钠的保存对比实验结果，其中偏铝酸钠的模数是指偏铝酸钠中n_Na2O： n_Al2O3的摩尔数比，偏铝酸钠的浓度是以Al₂O₃计的浓度。

表1低碱度偏铝酸钠的保存对比实验

由表1可以看出，低碱度偏铝酸钠的浓度为100g/L时，其稳定性非常差， 在2小时后产生产生少量的沉淀，偏铝酸钠失效；浓度为200g/L在24小时 后产生少量的水解沉淀；浓度为300～350/L时，10天后清澈透明，并无水解 和沉淀的迹象。由此得知，控制低碱度偏铝酸钠的浓度以Al₂O₃计为300～ 350/L可以保存15天左右，为工业化应用奠定了基础。

若直接采用上述高浓度的偏铝酸钠溶液将导致包膜剂加入量减少，在包 膜过程中分散效果差，导致局部浓度过高，包膜剂偏铝酸钠容易发生自身的 沉积，影响其包覆的效果，故包膜时需要采用浓度以Al₂O₃计为95～105/L 的低浓度偏铝酸钠溶液。正如表1所示，低浓度低碱度的偏铝酸钠溶液稳定 性极差，以Al₂O₃计为100g/L的低碱度偏铝酸钠的有效保存时间不足2h，因 而无论是直接合成低碱度的偏铝酸钠溶液或者合成高浓度的溶液批次稀释后 使用，均难以在工业上使用，这是因为工业上使用偏铝酸钠的时间大于2h(包 括一次包膜过程中偏铝酸钠的加入时间和加入后的搅拌时间)，直接合成低碱 度的偏铝酸钠溶液或者合成高浓度的溶液稀释后的溶液，经过转料，计量， 使用过程中偏铝酸钠就已经水解，失效，不能再使用。

根据本发明，先配置高浓度的低碱度偏铝酸钠溶液克服了低浓度的低碱 度偏铝酸钠保存时间短的问题，而采用边配置边使用的使用方法，保障了其 时效性。其中，包膜工序可以为锆铝包膜、硅铝包膜、单铝包膜等。

图1是本发明示例性实施例的钛白粉的工业包膜系统的示意图，图2示 出了本发明示例性实施例的钛白粉的工业包膜系统中折流板的示意图。如图 1所示，该工业包膜系统包括稀释液供给管5、第一阀门2、第二阀门6、第 一流量计3、第二流量计7、折流组件以及通过管道依次连接的偏铝酸钠溶液 贮槽1、缓冲槽4和包膜反应釜9。

其中，偏铝酸钠溶液贮槽1用于贮存上述高浓度低碱度的偏铝酸钠溶液， 即该偏铝酸钠溶液中n_Na2O：n_Al2O3为1.25～1.3，并且偏铝酸钠溶液的浓度以 Al₂O₃计为300～350/L。包膜反应釜9包括四个包膜罐，其各自内盛装有待包 膜的钛白粉浆料。第一阀门2和第一流量计3按照偏铝酸钠溶液的流动方向 依次设置在管道的位于偏铝酸钠贮槽1和缓冲槽4之间的第一部分上。稀释 液供给管5与管道的位于缓冲槽4和包膜反应釜7之间的第二部分连通，以 将稀释液(例如水)通入管道中并与偏铝酸钠溶液混合，进而将偏铝酸钠溶 液稀释至其浓度以Al₂O₃计为95～100g/L。第二阀门6和第二流量计7按照 稀释液的流动方向依次设置在稀释液供给管5上。折流组件设置在管道的位 于稀释液供给管5和包膜反应釜9之间的第三部分中，折流组件包括紧固在 管道内壁面上的多个折流板8(例如四个)，多个折流板8沿着偏铝酸钠溶液 的流动方向布置在管道中。如图1所示，管道的第三部分竖直设置，多个折 流板8中相邻的两个折流板相对设置，并且相邻两个折流板之间形成供偏铝 酸钠溶液流过的通道。优选地，折流板8沿管道的管径方向紧固在管道内壁 上，并且折流板8的横截面面积小于管道的横截面面积，在本实施例中，管 道的第三部分的横截面为圆形，如图2所示，折流板8的横截面的形状为沿 平行于所管道管径方向的直线将圆形分割后形成的大割圆和小割圆中的大割 圆，大割圆的弧线段的圆心角可以为240～270°，即图1中的α角为90～120°， 从而使得稀释液和偏铝酸钠溶液的混合稀释效果更好。当然本发明不限于此， 设置折流组件的目的是使稀释液和高浓度低碱度的偏铝酸钠溶液的稀释混匀 效果好，使得流入包膜反应器中的偏铝酸钠溶液达到预期要求，因而折流板 的数量、折流板的横截面面积、折流板之间的距离等可以根据实际情况进行 选择，并且折流板的设置方式也不限于沿管道管径方向设置，还可以向下倾 斜一定角度以便于液体的流动。

在本实施例中，发明人采用Ansys13.0软件模拟了折流板的设置与管道 第三部分中的稀释效果，最后确定管道的管径为130mm，折流板大割圆的弧 线段的圆心角为240°，即图中的α角为120°，折流板的数量为4个，相邻折 流板沿管道长度方向的距离为250mm。图3是管道的第三部分中的稀释效果 模拟图。并且，发明人对工业应用上述钛白粉的工业包膜系统后的稀释效果 也进行了试验分析，将高浓度低碱度的偏铝酸钠流速设置约548.6L/h，水的 流速设置为1371L/h，在管道与包膜反应釜连接的一端取样并检测所得偏铝 酸钠溶液的浓度，表2示出了高浓度低碱度偏铝酸钠的稀释效果检测结果。

表2高浓度低碱度偏铝酸钠的稀释效果

取样时间，min 10 20 30 40 50 60 偏铝酸钠溶液的浓度(以Al₂O₃计)，g/L 101 99 109 110 102 105

从图3和表2可以看出，采用上述钛白粉的工业包膜系统后高浓度低碱 度偏铝酸钠在管道中的稀释混匀效果好，在送至包膜罐时已达到预定要求。

为了更好地理解本发明的上述示例性实施例，下面结合具体示例和对比 例对其进行进一步说明。

示例

本示例采用上述工业包膜系统进行锆铝包膜，具体包括以下操作：

a、制备高浓度低碱度的偏铝酸钠溶液。

将固体氢氧化铝与水配置成质量百分浓度为48％的液碱，或直接现有的 质量百分浓度为48％的液碱，取1.23m³置于5m³的钛材反应釜内并预热至 90℃；在充分搅拌的条件下加入氢氧化铝，加完体系温度为80℃，氢氧化铝 的加入量为1.6吨；加热体系升温至沸腾，待体系由浑浊逐渐变澄清，保持 体系沸腾120min，将制备好的高浓度低碱度偏铝酸钠溶液冷却封存于偏铝酸 钠溶液贮槽1，待用。

b、根据包膜反应釜中的钛白浆料的量计算包膜所需的偏铝酸钠用量，并 计算将步骤a制备得到的高浓度低碱度偏铝酸钠溶液稀释为95～105g/L(以 Al₂O₃计)所需的水量和流速。

c、根据需要打开第一阀门2和第二阀门6，并根据第一流量计3和第二 流量计7的监测数据调节第一阀门2和第二阀门6的开度，以控制高浓度低 碱度偏铝酸钠溶液的流量和稀释用水的流量，从而使得偏铝酸钠溶液在输送 至包膜反应釜9的过程中在带有折流板8的管道中与水稀释混合形成 100g/L(以Al₂O₃计)的低浓度低碱度偏铝酸钠溶液。

d、包膜工艺具体步骤如下：

①进料：将待包膜的钛白粉浆料加入包膜罐中，该钛白粉浆料中的TiO₂浓度为280～300g/L，批次包膜总TiO₂量16t，加入的六偏磷酸钠，六偏磷酸 钠的加入量以P₂O₅计为钛白粉浆料中TiO₂质量的0.3％，pH值为9.0～10.0， 升温到45～50℃。

②加入硫酸锆：硫酸锆的浓度以ZrO₂计为100g/L，硫酸锆的加入量以 ZrO₂计为钛白粉浆料中TiO₂质量的0.4％，硫酸锆的流速设置约768L/h，加 入时间为50min，浆料的温度45～50℃，搅拌40min，浆料的pH值2.0～3.0。

③加入硫酸铝：硫酸铝的浓度为100g/L，加入量为钛白粉浆料中TiO₂质 量的0.5％，加料时间30min，流速设置约1600L/h，温度55～60℃，搅拌15min， 浆料pH值2.2～2.5。

④加入按照上述步骤a至c的方式得到的低浓度低碱度的偏铝酸钠，其 中，高浓度低碱度的偏铝酸钠流速设置约685.7L/h，水流速设置1714L/h， 包膜用低浓度低碱度偏铝酸钠的理论加入量以Al₂O₃计为钛白粉浆料中TiO₂质量的0.5％，加料时间20min，浆料的温度60℃，搅拌30min，浆料的pH 值3.2～3.5(由于每批次加入的偏铝酸钠原料有所波动，因而可以在理论加入 量的基础上，按照pH值控制偏铝酸钠的实际加入量)。

⑤加入按照上述步骤a至c的方式得到的低浓度低碱度的偏铝酸钠，其 中，高浓度低碱度的偏铝酸钠流速设置约396.2L/h，水流速设置990.5L/h， 包膜用低浓度低碱度偏铝酸钠的加入量以Al₂O₃计为钛白粉浆料中TiO₂质量 的1.3％，加料时间90min，浆料的温度60℃，搅拌40min，浆料的pH值9.5～ 9.8。

⑥加入硫酸铝：硫酸铝的浓度为100g/L，硫酸铝的理论加入量为钛白粉 浆料中TiO₂质量的0.2％，加料时间20min，流速设置约960L/h，浆料的温度 为60℃，搅拌60min，浆料的pH值7.2～7.6(按照pH值控制硫酸铝的实际加 入量)。

⑦过滤洗涤，烘干，粉碎，得到钛白粉包膜产品。

从上述示例的步骤④和⑤可以看出，低浓度低碱度的偏铝酸钠的使用时 间为“加料时间20min+搅拌30min+加料时间90min+搅拌40min＞2h”，因而， 对于有效保存时间不足2h的低浓度低碱度的偏铝酸钠溶液而言，无论是直接 合成低碱度的偏铝酸钠溶液或着合成高浓度的溶液按批次稀释后使用，均难 以在工业上使用，而采用本发明的先合成高浓度的低碱度偏铝酸钠溶液再通 过管道边配置边使用的方式成功克服了低浓度低碱度偏铝酸钠溶液进行钛白 包膜的工业应用问题。

对比例

本对比例采用商品偏铝酸钠进行包膜，具体包括以下操作：

①进料：将待包膜的钛白粉浆料加入包膜罐中，该钛白粉浆料中的TiO₂浓度为280～300g/L，批次包膜总TiO₂量16t，加入的六偏磷酸钠，六偏磷酸 钠的加入量以P₂O₅计为钛白粉浆料中TiO₂质量的0.3％，pH值为9.0～10.0， 升温到45～50℃。

②加入硫酸锆：硫酸锆的浓度以ZrO₂计为100g/L，硫酸锆的加入量以 ZrO₂计为钛白粉浆料中TiO₂质量的0.4％，加入时间为50min，浆料的温度 45～50℃，搅拌40min，浆料的pH值2.0～3.0。

③加入硫酸铝：硫酸铝的浓度为100g/L，加入量为钛白粉浆料中TiO₂质 量的1.0％，加料时间30min，温度55～60℃，搅拌15min，浆料pH值2.2～ 2.5。

④加入商品偏铝酸钠包膜，商品偏铝酸钠的理论加入量以Al₂O₃计为钛 白粉浆料中TiO₂质量的0.4％，加料时间20min，浆料的温度60℃，搅拌30min， 浆料的pH值3.2～3.5(由于每批次加入的偏铝酸钠原料有所波动，因而可以 在理论加入量的基础上，按照pH值控制偏铝酸钠的实际加入量)。

⑤加入商品偏铝酸钠包膜，工业偏铝酸钠的理论加入量以Al₂O₃计为钛 白粉浆料中TiO₂质量的1.0％，，加料时间90min，浆料的温度60℃，搅拌 40min，浆料的pH值9.5～9.8。

⑥加入硫酸铝：硫酸铝的浓度为100g/L，硫酸铝的理论加入量为钛白粉 浆料中TiO₂质量的0.2％，加料时间20min，流速设置约960L/h，浆料的温度 为60℃，搅拌60min，浆料的pH值7.2～7.6(按照pH值控制硫酸铝的实际加 入量)。

⑦过滤洗涤，烘干，粉碎，得到钛白粉包膜产品。

下表3给出了上述示例和对比例所得的包膜产品性能，并与现有的商品 偏铝酸钠包膜产品性能进行了比较。其中，编号1代表商品偏铝酸钠包膜产 品，编号2代表上述示例所得的包膜产品。

表3商品偏铝酸钠制得的包硅铝膜产品和示例所得产品的性能比较

编号 L a b 蓝光白度 白度指数 Jasn 1 98.07 -0.41 2.32 93.27 84.82 94.65 2 98.23 -0.43 2.39 93.65 84.95 94.59 编号 TCS Scx Ton Al₂O₃/％ Al₂O₃沉积率/％ 1 1950 3.56 -8.41 2.0 80 2 1960 3.59 -8.67 1.9 78

由上表可以看出，在工业应用中，低碱度偏铝酸钠包膜产品白度优于商 品偏铝酸钠包膜产品，而其他颜料性能(例如，消色力Tcs、亮度Jasn、色调 Ton和蓝相光谱值Scx)和铝的沉积率与商品偏铝酸钠包膜产品无明显差异。

综上所述，本发明采用先配置高浓度的低碱度偏铝酸钠溶液以克服低浓 度的低碱度偏铝酸钠保存时间短的问题，然后采用通过管道边配置边使用的 方式避免了低浓度低碱度偏铝酸钠在使用前就水解失效的问题，实现了采用 低碱度偏铝酸钠进行钛白粉包膜的工程应用，从源头上降低了酸类物质的用 量，降低了成本，减少了对环境的污染，减轻了对设备腐蚀，延长了设备的 使用寿命，并且所得包膜产品性能指标优于现有的商品偏铝酸钠包膜产品。

尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人 员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明 的示例性实施例进行各种修改和改变。